（电力系统及其自动化专业论文）统一电能质量控制器upqc控制策略研究.pdf

统一电能质麓控制器( u p s ) 控制策略研究 曼! 曼! 曼苎i ii _ i i _ l a i i i i 曼曼曼曼! ! 曼曼! 曼! 皇! ! 曼曼曼! 曼曼! ! ! 曼曼曼曼 a b s t r a c t w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sa n dn o n l i n e a rl o a d s ，p o w e r q u a l i t yp r o b l e m sa r i s i n gi np o w e ra r ei n c r e a s i n g f o re x a m p l e ：h a r m o n i cp o l l u t i o n ，r e a c t i v e p r o b l e m s ，t h r e e p h a s eu n b a l a n c e ，v o l t a g ef l u c t u a t i o n ，v o l t a g es a g ，a n ds oo n t h e r e f o r e ，t o s o l v et h eg r i dp o w e rq u a l i t yr e s e a r c hh a sb e e ng r o w i n ga t t e n t i o n u n i f i e dp o w e rq u a l i t y c o n t r o l l e r ( u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n t r o l l e ru p q c ) ，i tc a nc o m p e n s a t el o a dr e a c t i v ec u r r e n t a n dh a r m o n i cc u r r e n t ，w h i l es u p p r e s s i n gp o w e rv o l t a g ef l u c t u a t i o n s ，v o l t a g ef l i c k e ra n d v o l t a g eo fe a c hp h a s ei m b a l a n c e ，u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n t r o l l e rw i l lp r o v i d ea ne f f e c t i v e w a yt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m b a s e do nt h ea c t u a lc o n d i t i o n st oi m p r o v ep o w e rq u a l i t y , i n - d e p t hs t u d yu p q ct h e o r ya n dt o p o l o g y 、t h er e a l t i m ed e t e c t i o na n dc o n t r o ls t r a t e g i e s c o m p e n s a t i o nc o m p o n e n to fu p q c a tf i r s t ，t h et o p o l o g ya n dt h ef u n c t i o no fu p q ca r ee x p l a i n e di nt h i sp a p e rb a s e do nt h e a n a l y s i so fa c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) ，a n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fah y b r i du p q c ( u p q c c o m b i n e dw i t hp a s s i v ef i l t e r ) i nd e t a i l e d a n a l y s i s a n df i n a l l ys e l e c t t h et h r e e p h a s e t h r e e w i r eu p q ca st h eo b j e c to ft h i sp a p e r t h e n ，t h ed e t e c t i n gm e t h o da n dc o n t r o l l i n g s t r a t e g y , w h i c ha r et h ei m p o r t a n tp a r t sa f f e c t i n gt h ec o m p e n s a t i o ne f f e c to ft h eu p q c ，a r e d i s c u s s e da n di n v e s t i g a t e di nd e t a i li nt h ep a p e r i nt h eb a s i so ft h ec u r r e n tc o m p e n s a t i o n d e t e c t i n gm e t h o do na c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) ，a n dc o m b i n e dw i t hc o m p e n s a t i o nt h o u g h to f u p q c ，t h ep a p e rd e d u c e st h ep - qm e t h o da n di p i qm e t h o db a s e do nt h et h e o r yi n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e rt h e o r y s i n c ei p - i qm e t h o da n dp - qm e t h o di nt h ep r o c e s so fc o m p e n s a t i o n d i c t i o nf o rv a r i o u sk i n d so fr e s t r i c t i o n s ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa ne f f e c t i v ed e t e c t i n gm e t h o d ： i m p r o v e dp - qm e t h o d b a s e do nt h ea n a l y s i so fs p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o na n d c u r r e n th y s t e r e s i sl o o pc o n t r o l l i n gm e t h o d ，s e r i e so fu p q c a d o p t ss p a c ev e c t o rc o n t r o l l i n g s t r a t e g ya n dp a r a l l e lo fu p q ca d o p t sc u r r e n th y s t e r e s i sc o n t r o l l i n gs t r a t e g yb a s e do ns p a c e v e c t o r p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n s i m u l a t i o nw i t hm a t l a bh a sb e e nc a r r i e di n t h i s c o m p e n s a t i o na n dc o n t r o ls t r a t e g yp u tf o r w a r db yt h i sp a p e r ，t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n i n d i c a t et h a tt h ed e t e c tm e t h o da n dc o n t r o ls t r a t e g yi sv a l i da n df e a s i b l e k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n t r o l l e r ；c o m p e n s a t i o nd e t e c t ； c u r r e n th y s t e r e s i sc o n t r o l ；s p a c ev e c t o r i l 硕十何沦文 曼蔓鼍曼蔓皇曼皇, 一i i li - - ii m ii i n i i i i 曼苎! 皇曼! 舅 插图索引 图1 1 电能质量的8 种主要扰动5 图2 1 有源电力滤波器的结构原理图1 1 图2 2 三相电压型p w m 整流器1 2 图2 3 有源电力滤波器的系统结构分类1 3 图2 4 串联型有源电力滤波器的基本结构1 4 图2 5 并联型有源电力滤波器的基本结构1 4 图2 6 串一并联型有源电力滤波器的基本拓扑结构1 5 图2 7 有源电力滤波器逆变电路结构图1 5 图3 1u p q c 基本拓扑结构图：2 0 图3 2u p ( ) c 的等效电路图2 1 图3 3 三相三线制u p ( ) c 拓扑结构图2 2 图3 4 混合型u p q c 2 2 图3 5 混合型u p q c 单相等效电路2 3 图3 6 经济实用型u p q c 的拓扑结构2 6 图3 7 三对单相式换流桥构成的三相四线制u p o c 拓扑结构2 7 图3 8 三相式换流桥构成的三相四线制u p q c 拓扑结构2 7 图4 1p - q 法检测原理图2 9 图4 2i p - i q 法检测原理图3 0 图4 3 基波正序电压检测器3 3 图4 4 电流补偿信号检测原理图3 4 图4 5 电压补偿信号检测原理图3 5 图4 6 三相不对称且畸变的电源电压波形3 7 图4 7 三相负载电流波形3 7 图4 8u p q c 电流补偿指令信号3 7 图4 9u p q c 电压补偿指令信号3 8 图5 1 电压源型有源电力滤波器主电路图4 0 图5 2 空间电压矢量合成4 1 图5 3 电流滞环控制原理图4 3 图5 4 并联侧逆变器等效电路图4 4 _ _ 图5 5 参考电压矢量v 和f 的区域划分4 6 图5 6 空间电压 ，。的选择示意图4 7 图5 7 基于空间电压矢量控制的电流滞环控制方法的原理图4 8 图5 8 双滞环f 的区域4 9 - _ - 图5 9ai 在区域v + 在区域2 时y 。的选择5 0 图5 1 0 直流电压的控制5 1 图5 1 1 负载电流波形和u p q c 补偿后电源电流波形5 1 图5 1 2 电源电压波形和u p q c 补偿后负载电压波形5 2 l l i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本沦文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：噌殓觚日期：州9 年r 月；- zf i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：憎硷砜 刷醛名渤am 日期：列，年c 月) r 日 日期：冲年e 月 - d a 硕卜学何沦文 !i。iii_im一皇ii!i 1 1 选题的背景与意义 第一章绪论 电能是一种清洁、高效、易使用的能源形式，是社会经济快速发展的重要物质保证， 是各种高技术，尤其足信息技术有效应用的前提“1 。近年来，各电力用户对电能质量的 要求是越来越高，对电能应用过程中出现的各种问题越来越重视。这是因为：( 1 ) 现代 化生产过程中所使用的各种先进设备对电能质量敏感度不断增加。传统盼许多机电设备 在供电电压幅值相对较大的变化范围内能正常地工作。但现代社会生产中广泛应用的各 种自动化生产线、以微处理器为核心构成的各种电气设备、精密加工工业、机器人等先 进技术，它们的正常运行都取决于高质量的供电。一旦出现电能质量问题，轻则造成设 备故障，重则造成整个电力系统的损坏，由此带来的损失难以估量。( 2 ) 大量以提高生 产效率，减小环境污染而采用电力电子技术的现代化设备正成为主要电能质量问题的来 源。以电气化铁路牵引式的负荷为例，它属于整流负荷，是典型的谐波源；采用工频单 相式交流供电，是典型的负序源；同时又具有波动性和不确定性，是典型的波动源。另 外普通用户中集中大量使用的开关式电源，公共照明系统中荧光照明负荷正逐渐成为配 电系统中的谐波源和波动源。可以说，在这些新技术成功解决实际生活坏境中“看得见 的污染问题同时，造成了电力系统中“看不见 的污染问题。污染问题不是得到根本解 决，而是进行了形式上的转换。随着市场经济在我国的逐步建立，人们认识到电能也是 一种商品，而商品质量成为决定商品价值的主要因素。为了提高竞争力，适应电力市场 发展的要求，提出高质量的电能是必然趋势。 上述两个原因加剧了电力系统和电力用户供需的矛盾。近年来，新技术的出现有效 解决了矛盾，提高了电能质量。如美国电力科学研究院( e p r i 学者n g ：h i n g o r a n i 博士 于1 9 8 8 年首先提出了c u s t o mp o w e r ( c u s p o w ) 用户电力新概念及其新技术心儿引。随后， 日本茨城大学和北海道大学学者于1 9 9 6 年共同提出了f r i e n d s ( f l e x i b l e ，r e l i a b l ea n d i n t e l l i g e n te l e c t r i c a le n e r g yd e l i v e r ys y s t e m ) 供电新概念及其新技术h 1 。这些都反映出了 现代信息社会的发展对提高供电可靠性、改善电能质量的迫切要求和所应采取的先进技 术手段。提高电能质量，实现提供不同标准的电能质量是现代社会发展的需要，是供用 电双方的共同愿望，也是电力行业的重要课题瞄儿引。 统一i l ! 能质蛩控制器( u p q c ) 控制策略研究 1 2 电能质量问题概述 1 2 1 电畿质量的定义 电能质量描述的是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。电能质量问题主 要表现为电压、电流、频率的偏差，导致电力用户设备的损坏或不正常的工作。理想状 态的电网应用以恒定的频率、正弦波形和标准电压给电力用户供电。在三相交流系统中， 还要求各相电压和电流幅值应大小相等、相位对称且互差1 2 0 。但由于供电系统中的 发电机、变压器和电力电子变流装置等设备非线性或不对称性，以及运行操作、外来干 扰和各种故障等原因，这种理想状态并不存在，。因此产生了电网运行、电力设备和供用 电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念。 关于电能质量的定义，至今还没有一个准确统一的标准，这主要是人们看问题的角 度不同所致。国际电气电子工程师协会标准化协调委员会i e c 已经采用了“p o w e r q u a l i t y ”这一术语，并给出了相应的技术定义：合格电能质量的概念是指提供给敏感设 备的电力和设置的接地系统是适合于该设备正常工作的。关于电能质量的定义还有很 多，但不论如何表述，从技术含义上讲电能质量问题主要包括以下两个方面： ( 1 ) 电压质量和供电可靠性，这主要是对供电部门的供电要求，包括过电压、欠 电压、频率偏差、电压跌落、电压突升、电压波动、电压波形畸变、三相电压不平衡、 电压中断等。 ( 2 ) 电流质量，这主要是对电力用户的用电要求，包括电流谐波、无功电流、三 相电流不平衡等。 随着电力用户对电能质量敏感程度的提高，电能质量的定义和内涵亦会随之在不断 发展，总的趋势是分的更细和要求更高。 电能质量的特点主要包括： ( 1 ) 电能质量的动态性：电能从发电生产到用户消耗是一个整体，其流动始终处于 动态平衡中，并且随着电网结构和负荷的改变而不断变换。在整个电力系统中，不同时 刻、不同地点，电能质量指标往往是不同的，电能质量始终处在动态变换中。 ( 2 ) 电能质量的相关性：电能不易大量储能，其生产、输送、分配和装换直至消耗 几乎是同时进行的。当系统处在各种运行状态时，电能质量一旦不达标，相关设备就会 受到不同程度的影响。 ( 3 ) 电能质量的传播性：电力系统是一个复杂的网络，为电能提供了最好的传输途 径。电能传播速度快、电气污染波及面大，会大大降低相连系统的电能质量。 ( 4 ) 电能质量的潜在性：电能质量扰动复杂多变，事故诱发条件复杂，其质量的下 降造成对系统用电设备的损害有时并不立即显现，为安全运行留下了隐患。 ( 5 ) 电能质量的复杂性：电能质量的多个指标作用于同一个系统时，综合给出电能 质量的评判标准是非常困难的。目前尚没有一个准确和普遍认可的定量评估计算方法。 ( 6 ) 电能质量的整体性：保证电能质量要靠多方努力，因此要求电力供应方、电力 硕十学化论文 ! ! 曼曼! ! 曼! i 一一一 ；i 一一i _ _ _ i m m i 曼! 曼蔓 使用方、设备制造商等共同协作，制定统一和可操作合适质量标准或单独的供电质量协 议，或者按电力用户对电能质量的不同要求实行分级控制和管理。 1 2 2 电能质量问题起因 随着电力系统规模的不断扩大以及系统中非线性负荷的不断增加，电力系统受到的 “谐波污染 也越来越严重，加上电力系统可能出现的内外故障，这些因素都可能恶化 系统的电能质量。电力系统电能质量问题的产生主要有以下原因。 ( 1 ) 非线性负载 在工业和生活用电负载中，非线性负载占很大的比例，这是电力系统产生谐波问题 的主要来源。电弧炉是主要的非线性负载，它的谐波主要是由起弧的时延和电弧的严重 非线性引起的，电弧长度的不稳定性和随机性，使得其电流谐波频谱非常复杂，而且随 时问会有明显的变化。荧光灯的伏安特性是严重的非线性特性，它也会引起严重的谐波 电流，其中3 次谐波的含量最高。3 次谐波还有可能引起谐振，导致谐波放大，并最终 导致电压波形也发生严重畸变。大功率整流或变频装置在现代工业中的应用极为广泛， 这种基于电力电子器件的设备会产生严重的谐波电流，对电网造成严重污染，同时也使 功率因数降低。 ( 2 ) 电力系统设备的非线性特性 在电力电子装置大量使用以前，电力系统中主要的谐波源是发电机和电力变压器。 发电机是公用电网的电源。在实际运行中，由于多种原因，发电机的感应电动势不是理 想的正弦波，因此其输出电压中也就包含一定的谐波。变压器谐波电流是由其励磁回路 的非线性引起的，产生谐波电流的大小与变压器的铁心结构、铁心饱和程度以及变压器 的连接方式都有关系。 ( 3 ) 电力系统故障 电力系统运行的内、外故障也会造成电能质量问题，如短路故障、雷击、误操作、 电网故障时发电机及励磁系统的工作状态的改变、故障保护装置中的电力电子设备的启 动等都将造成各种电能质量问题。 1 2 3 电能质量扰动分类 根据对各种情况的综合分析，i e e e 列出了1 1 种主要的电能质量问题隅1 ： ( 1 ) 中断( i n t e r r u p t i o n s ) 。在一定时间内，一相或多相完全失去电压电流( 低于 0 1 p u ) ，称为中断。按断电的时间大致可以分为4 类：瞬时( i n s t a n t a n e o u s ) 中断，持 续时问为0 5 周波至3 0 个周期；短暂( m o m e n t a r y ) 中断，持续时间为3 0 个周期至3 秒；暂时( t e m p o r a r y ) 中断，持续时问为3 秒至1 分钟；持续( s u s t a i n e d ) 中断，也就是 人们常说的断电，持续时间大于6 0 秒。 ( 2 ) 频率偏差( f r e q u e n c yd e v i a t i o n ) 。电网的实际工作频率与额度工作频率的偏差。 各国均已做出具体规定。 3 统一屯能质嚣控制器( l p q c ) 拱滞j 策略研究 i ( 3 ) 电压跌落( s a g ) 。电压暂时性低于标称值1 0 称为电压下跌，通常的电压下跌 持续时间为o 5 周波1 分钟，幅值为0 1 p u 至0 9 p u ，系统频率仍为标称值。 ( 4 ) 电压上升( s w e l l s ) 。电压暂时性超过标称值1 0 称为电压上升。系统频率仍为 标称值，持续时间为0 5 周波l m i n ，幅值为1 1 p u 1 8 p u 。 ( 5 ) 电压波动( v o l t a g ef l u c t u a t i o n ) 。电压波动是在包络线内电压的有规则变动，或 是幅值通常不超出0 9 p u 至1 1 p u ，电压范围的一系列电压随机变化。这种电压变化往 往称作闪变( f l i c k e r ) 。闪变这个专用术语是来自电压波动造成照明灯对人类视觉的影响。 工业电弧炉的使用通常会引起输配电系统电压闪交。 ( 6 ) 瞬时脉冲或突波( t r a n s i e n t ) 。瞬时脉冲表示在两个连续稳态之间的、一种在极 短时间内发生的现象或数量变化。瞬时脉冲可以是任一极性的单方向脉冲，也可以是发 生在任一极性的阻尼振动波第一个尖锋。 ( 7 ) 电压切痕( n o t c h e ) 。电压切痕是一种持续时间小于0 5 周波的周期性电压扰动。 电压切痕主要由于电力电子装置在有关两相间发生瞬时短路时电流从一相转换到另一 相( 换相) 而产生的。电压切痕的频率会非常高，因此用常规的谐波分析设备很难测量 出电压切痕。这就是过去没有该项电压扰动内容，而直到最近才正式列入的原因。 ( 8 ) 谐波( h a r m o n i c ) 。含有基波整倍频率的正弦波电压或电流称为谐波。产生畸 变后的波形可分解为基波和许多谐波之和。谐波是由于电力系统和电力负荷中设备的非 线性特性造成的。谐波有奇次( 又可分3 倍的倍数和非3 的倍数) 和偶次之分。随着用 电装置对谐波敏感性的日益增加，高次谐波越来越受到关注。 ( 9 ) 间谐波( i n t e r h a r m o n i c ) 。含有基波的非整数倍数频率的电压或电流称为间谐波。 小于基波频率的分数谐波( f r a c t i o n a lh a r m o n i c ) 亦属于此类。 ( 1 0 ) 过电压( o v e r v o l t a g e ) 。过电压指电压幅值超过标称电压，且持续时间大于l m i n 。 过电压的幅值为1 1 p u 1 2 p u 。 ( 1 1 ) 欠电压( u n d e r v o l t a g e ) 。欠电压指电压幅值小于标称值电压，且持续时间大 于l m i n 。欠电压的幅值为0 8 p u o 9 p 1 1 。 图1 1 给出了上述一些问题的图示。各种电能质量问题均会造成生产、生活的非计 划停电或设备损坏，使用户遭受相当大的经济损失。 4 。 硕二i 学位论文 皇曼曼曼曼曼曼曼舅i i 一一一一一一i ；i i ；i i i i 曼鼍笪曼曼蔓曼! 曼曼曼 ( 1 )中断 ( 2 7 3 了二弋夕垒搿频率偏差 ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) 电压跌落 电压上升 电压波动 时脉冲 压切痕 气手弋a 孑争电压畸变 图1 1 电能质量的8 种主要扰动 1 2 4 电能质量问题的危害 现代化工商业已大量采用计算机系统、机器人和精密控制设备等，它们对电力扰动 十分敏感。任何一种电能质量问题都有可能影响正常的生产和生活。特别是对计算机控 制、半导体工业、信息技术产业以及精密制造业等现代高科技产业的影响巨大。在工业 和生活的用电负载中，阻感性负载占有很大比例。含有电感的阻感性负载，必须吸收无 功功率才能工作，所以需要系统提供必要的无功功率。电力电子装置和变压器等非线性 装置电要消耗无功功率，特别是相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器等相 控装置，在工作中基波电流滞后于电压，要消耗大量的无功功率，这些装置还会产生大 量的谐波电流，同时需要消耗一定的无功功率。目前，电力电子装置已经成为最大的干 扰源，尤其整流装置，所以无功功率和谐波的治理也是非常突出的电能质量问题之一。 电能质量之所以成为目前大家关注的一个热点问题，这与电能质量问题所带来的危害是 统电能质节控制器( u p q c ) 控制策略研究 寰曼曼曼曼曼曼鼍! 曼! 曼舞曼曼曼曼曼皇l 。 一。 一ii 苎罡曼! ! ! 曼毫曼寡! ! ! ! 曼鼍曼曼! 曼皇! 曼曼皇曼! 罡曼曼! 璺 密不可分的。 ( 1 ) 电压的瞬变、波动、缺口等作为一种扰动信号，虽然作用时间短，但幅值瞬问 波动却比正常时大得多，而且扰动作用可能是脉冲性的、重复性的、振荡性的，这都足 以影响或损坏越发敏感的电子设备的正常工作。 ( 2 ) 电压的过压或欠压、上升或跌落，都会对设备的正常工作产生影响或损坏。 ( 3 ) 电压的瞬时或持续中断，会造成生产线的巨大损失；对于计算机系统有可能造 成计算机的硬件损坏或导致计算机的计算错误和数据丢失；对一些重要场合，如银行结 算中心、证券交易系统、电信和移动电话通信系统、航空管理系统、大规模集成电路生 产线及各种自动化生产流水线、医用监控系统、公路和铁道调度以及售票系统等等，瞬 时的电压中断都会产生不可估计的严重损失。 ( 4 ) 谐波的危害 在理想的情况下，优质的电力供应提供具有正弦波形的电压。但在实际中，电力电 子装置和非线性负载的广泛应用，使大量谐波电流注入电网，导致供电系统的电压、电 流波形畸变，电能质量变坏，严重威胁电网和电气设备的安全运行与正常使用。因此， 谐波成为影响电能质量优劣的重要指标之一。谐波对公用电网和其他系统的危害主要有 以下几个方面呻1 ： 1 ) 谐波使公用电网中的设备产生附加的谐波损耗，降低电网、输电及用电设备的 使用效率，增加了电网的输送容量。大量的3 次谐波流过中线时会使中线过热， 甚至发生火灾。 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波的集肤热效应会使得变压器、电容器 和电缆等设备过热，发生绝缘老化，寿命缩短。 3 ) 谐波会引起公用电网中的无功补偿装置的串连或并联谐振，使得谐波放大，引 起装置损坏。 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表不准确。 5 ) 谐波会对邻近的通信设备产生干扰，轻则引入噪声，降低通话质量，重则导致 信号丢失，使通信系统无法正常工作。 ( 5 ) 基波无功功率对电网的影响有以下几个方面： 1 ) 增大了设备的容量。无功功率的增加，将导致电流增大和视在功率的增加，从而 使发动机、变压器和其他送配电设备的容量和导线容量增加。同时也使用户的起动和控 制没备、测量仪表的尺寸和规格加大。 2 ) 设备和线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而设备和线路的损耗 增加。 3 ) 使线路及变压器的电压降增大。如果是冲击性负载，还可能使电压产生剧烈波动， 使供电质量严重降低。 硕七学位论文 1 3 电能质量控制技术研究现状 电力系统电能质量控制是以提高最终供给用户的电能的电压、频率及波形的水平为 目标的。电能质量补偿装置、控制装置足安装在供电系统和用户负荷之间，并且通过它 们的调节作用以改变系统或用户侧的各项电能质量参数的一种设备。电力电子技术在电 力系统中的应用给解决电能质量问题开拓了广阔的前景。1 9 8 8 年，美国电力科学研究 院的n g h i n g o r a n i 提出了用户电力技术( c u s t o mp o w e 0 的概念n 们4 州。用户电力技术 是将现代电力电子技术、微处理机技术、现代控制理论、数字信号处理技术、配电自动 化技术等诸多学科技术交叉结合而产生的新- - f 4 供电技术，以实现为不同质量要求的电 力用户提供不同质量电力供应，特殊要求特殊供应，优质高价，使供用电水平达到高度 的灵活性、可靠性、智能化和信息化，创造一个无污染的绿色供用电环境，为电力市场 的发展创造技术条件。用户电力技术更方便、更灵活、更实用的推广开来，成为控制电 能质量的主要工具。它是一种面向低压配电系统快速发展起来的新型电力技术，为提高 电能质量和供电可靠性提供了一种新的技术前景。随着各种大功率电力电子器件的相继 问世，出现了一系列的电能质量补偿控制设备，从而大大提高了电网的电能质量。目前 国内外已提出了各种提高和改善电能质量的装置，主要有以下几种： 可控硅动态无功功率补偿器( t s c ) ，采用大功率可控硅组成的无触点开关，对多 级电容器组进行快速无过渡投切，克服了传统无功功率补偿器因采用机械触点烧损，对 电容冲击大等缺点，对各种负荷均能起到良好的补偿效果。 静止同步补偿器( s t a t c o m ) ，工作时并联在电网中，相当于可变的无功电流源， 其无功电流可以灵活控制，自动补偿系统所需要的无功功率。可以有效的解决了谐波干 扰投切并联电容器装置的问题。 有源电力滤波器( a p e ) ，是一种基于电压源逆变器的新型电力电子谐波滤除装置， 通过实时检测电网中由非线性负载产生的电流波形，分离出谐波电流部分，并通过i g b t 逆变器输出反相补偿电流，实现滤除谐波的功能。另外，a p f 还可以提供超前或滞后的 无功电流，用于改善电网的功率因数和实现动态无功补偿。和l c 型的无源滤波相比， a p f 具有动态性能好、安全性高、适应性强等特点。 不间断供电电源( u p s ) ，当系统供电正常时，u p s 将交流整流成直流并向电池充电， 从而交流电能储能存为直流电能，供电中断时，u p s 将储存在电池中的直流电能逆变器 成为交流电能，用于保证重要负荷的不间断供电，如银行、医院、厂矿等的紧急供电。 动态电压恢复器( d v r ) ，是目前解决电压跌落问题、保证敏感负荷供电质量非常有 效的串联补偿装置。它能在几m s 内将电压跌落补偿至标称值，是一种抑制电压干扰的 有效补偿装置。 随着配电网结构和电力负荷成分的日趋复杂，若二f 种电能质量问题在同一配电系统 中或在同一用电负荷中同时出现的情况也会越来越多。例如，对于在同一配电母线上既 有电压敏感负荷、又有非线性负荷、还有冲击负荷的情况下，就需要同时安装串联型电 压补偿装置和并联型电流补偿装置。若针对每一种电能质量问题都分别采取一种类型的 7 统一一f 皂能质镀控制器( l i f q c ) 叛沸4 策略研究 调节装置，这样多种装置同时使用将会大大增加治理措施的成本，还会增加装置运行维 护的复杂程度，并且各装置之间还存在着协调配合问题，影响联合运行的可靠性。既不 经济，又不现实。于是，1 9 9 6 年日本学者h a k a g i 在总结串联和并联有源滤波器各自 特点基础上，按f a c t s 技术中的统一潮流控制器( u n i t e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r , u p f c u ) 思路提出了统一电能质量控制器( u n i t e dp o w e rq u a l i t yc o n t r o l l e r , u p q c 2 。) 的概念。它同时具有串并联a p f 的优点，不但可以抑制低级电网谐波和无功电流流向 高级电网，而且补偿高级电网中电压波动和谐波，为低级电网提供更高质量的电压。由 于具有综合的电能质量调节能力，被认为是最有发展前景的一种柔性交流输电系统 ( f a c t s ) 元件，现已成为国内外控制电能质量方面研究的热门课题。 1 4 统一电能质量控制器( u p q c ) 的研究现状 目前，对于u p q c 的研究主要集中在电路拓扑、检测算法和控制等方面。从u p q c 的诞生开始就与有源滤波器紧密相关，所以我们要研究u p q c 的现状就首先要了解有 源电力滤波器( a p f ) 的研究现状。 随着电力电子技术的发展，特别是大功率高频电力电子器件的不断发展，a p f 得以 飞速进步。但是a p f 存在单位容量造价高、设备运行效率低和难以实现大容量化等缺 点，故常与并联型无源滤波器( p f ) 结合使用。a p f 用来补偿高次偕波，利用p f 来分 担基波无功、5 、7 等低次谐波的补偿，扩大整体容量。如文献 1 3 1 4 提出了多种由 p f 和a p f 共同构成的混合电力滤波系统，其中之一就是有串联型a p f 和并联型p f 构 成的混合滤波系统，通常也称之为串联型混合有源滤波器( s h a p f ) 。为了扩大a p f 容 量，许多学者研究了多重化、级联结构的串、并联a p f 结构 1 8 1 。 关于有源滤波器的补偿分量检测的研究，最初是用无功功率理论姑2 1 来解决补偿分量 问题，但用此理论不能完全实现谐波的补偿。在1 9 8 3 年，日本学者赤木泰文( h a k a g i ) 提出的瞬时无功功率理论n 射，以瞬时实功率p 和瞬时虚功率q 的定义为基础，即p q 理 论。后又补充定义瞬时有功电流f 。和瞬时无功电流f 。等物理量，经历了一个逐步完善的 过程。它是目前三相电路中谐波检测应用最多的一种方法。该理论从单相系统的有功与 无功功率理论出发，将三相系统在p q 坐标中分解电压和电流，最后将无功功率通过 电压、电流的瞬时值表示出来，其最大的意义就是突破传统的频率定义无功功率的方法， 对实时无功功率控制和有源滤波的实际应用起到了较大的推动作用。但该方法主要用于 谐波电流总量或者谐波和无功电流的总量的计算，对谐波分析存在较大的局限性。文献 2 0 提出了的基于d q o 坐标系下广义瞬时无功功率定义的检测方法，既可以检测出谐波 总量，也可以检测各次谐波。但此方法需要进行大量的坐标变换，运算量比较大，从而 影响了有源滤波器的动态性能。另一方面，人们在频域内做了大量的研究心，虽然可以 通过傅立叶分析简化计算，但无法实时进行跟踪补偿，补偿效果差。实际上，对未知扰 动的配电系统中的谐波分量进行检测计算是不容易实现的，人们研究了有模型识别意义 8 硕十学位论文 的谐波补偿分量的无延时检测方法。利用历史数据进行模型辨识，采用自适应信号幢副 和神经元网络旺6 1 进行谐波补偿分量检测的研究，但终究离不开历史数据的限制。 关于有源滤波器的控制策略研究，近几年成为了一个热点。实际上有源滤波器的控 制主要有两部分：指令电流生产和电流跟踪。目前电流跟踪主要脉宽调制技术( p w m ) 和滞环控制( h y s t e r s i sc o n t r 0 1 ) ，这两种控制方法在实际中均得广泛应用。电子器件高 频化以后，基本上都能实现电流实时跟踪。因此对有源滤波器的控制研究主要是对指令 电流产生的研究。根据指令电流的得到方式不同，可分为负钱电流检测控制方式和电源 电流检测控制方式一1 。负载电流检测控制属于开环控制，而电源电流检测控制属于闭环 控制，两种控制方式单独应用都有缺陷。将两者结合起来组成复合控制，应用具有较强 非线性特征的变结构控制和模糊控制组成的控制器，实现变结构控制，但变结构控制存 在开关的抖动问题。1 9 9 1 年马可跃提出的单周控制给人耳目一新的感觉，并逐渐应用 到a p f 中。它不需要检测电流的谐波，用简单的复位积分器实现电压电流关系，直接 给出恒频的电力电子软开关信号，大大简化了电路，而且跟踪速度快，滤波和保护容易。 文献 2 3 无差拍控制建立了系统状态空间方程，采用状态观察器预估系统的状态，避免 对指令电流的跟踪过冲，提高了系统动态性能。 单独的并联a p f 会对电源产生谐波电流干扰，而单独的串联a p f 会导致负载供电 电压严重畸变。因此1 9 9 6 年a k a g ih 在总结串联和并联有源滤波器各自特点基础上提 出了u p q c 的概念。其基本思路串联补偿检测电源电流，通过控制技术使补偿点对谐 波频率呈大阻抗，而并联补偿检测补偿点电压，通过控制使补偿点对谐波频率呈低阻抗， 这样一方面可基本维持负载供电电压质量，另一方面可补偿谐波电流。当时这种u p q c 主要用于主配电变压器出1 2 1 的谐波补偿。1 9 9 8 年h a k a g i 等提出适合补偿闪变电压的 控制策略进行深入研究，重点分析了u p q c 内部的瞬时有功和无功功率潮流控制，通 过实验进一步证实u p q c 在改善电能质量的有效性。 自u p q c 概念提出后，其相关技术和实验研究主要集中在日本、德国和美国等少 数发达国家，研究重点主要集中在内部机理分析上，并取得部分成果。但近几年来随着 电力电子器件的高频化和集成化，高性能数字处理芯片d s p 速度的提高与应用的普及， 各个学科的交叉渗透均以令人难以置信的速度发展，u p q c 实现的复杂性与难度都在降 低。与几年前相比，u p q c 在理论、拓扑结构、补偿检测及控制等方面得到了广泛的研 究，并有长足进展。但至今世界上尚未有此种综合装置投入现场实际运行，相信随着电 力用户对电能质量要求的不断提高和该类装置成本的降低，以及研究工作的不断深入， 在不久的将来u p q c 将得到实际应用。目前在国内，该技术也得到了较快的发展，清 华大学在成功研制s t a t c o m 基础上也开展了u p q c 实验样机的研制并取得了阶段性 成果。另外，哈尔滨工业大学、东南大学、武汉大学等也在u p q c 的研究中取得了进 展d 引。经各国学者的努力和研究，目前u p q c 从信号检测、控制方式和拓扑结构等方 面部有了很大的变化，但仍有许多问题需要进一步深入的研究，以使u p q c 能充分发 挥其强大的综合补偿和调节功能。 9 统一电能质姒f l 9 二 制器( u p q c ) 控制策略研究 1 5 本文的主要研究工作 本文在分析a p f 的结构、功能和原理的基础上，以一种新型的有源滤波装置一统 一电能质量调节器( u p q c ) 为研究对象，选取三相三线制u p q c 为具体模型来展开研究。 本文的主要内容如下： ( 1 ) 首先介绍了电网中电能质量问题的定义和分类，分析了电能质量问题产生的 原因、危害和治理电能质量问题的一些措施，对有源电力滤波器的运行机理和发展现状 进行了说明。 ( 2 ) 对有源电力滤波器和相关技术进行了介绍。包括基本原理、系统结构、检测 及控制方法的研究现状。 ( 3 ) 介绍了u p q c 的基本结构和工作原理及由u p q c 基本拓扑结构派生的实际装 置结构，并对混合型u p q c 的补偿控制策略进行了详细的分析。 ( 4 ) 能否快速准确地检测出需要补偿的电能质量信号，是决定补偿效果的一个前 提条件。对于补偿分量的检测，简要介绍了几种目前存在的检测方法，着重探讨了基于 瞬时无功功率理论的谐波检测法，如p - q 法，i p i q 法。在此基础上，采用了改进型的 p - q 法用于u p q c 补偿信号的检测，该方法中参与功率计算的- - - - + h 电压不再是直接使用 电网三相电压，而是三相基波正序电压，从而避免了检测到的基波电流受到电压畸变的 影响而存在误差的情况。仿真结果证明该方法具有较好的检测效果。 ( 5 ) 统一电能质量控制器的补偿效果除了取决于指令信号检测方法外，还取决于 逆变器的控制策略。本文对u p q c 的串联和并联部分分别采用了空间电压矢量的控制 策略和基于空问电压矢量的电流双滞环控制策略，并进行了仿真研究。仿真结果表明采 用此种控制策略，补偿信号能够实时跟踪指令信号的变化，控制效果较好。 1 0 硕 = 学位论文 曼曼曼! 曼! , o i iii - - i|i ! ! 舅 第二章有源电力滤波